Стабілізатор постійної напруги з резервуванням живлення споживача

Запропонована корисна модель відноситься до галузі електротехніки і може бути використана при проектуванні джерел вторинного електроживлення, які одночасно забезпечують захист споживача від перенапруг та резервування живлення споживача. В одному з відомих стабілізаторів постійної напруги [див. авт.св. СРСР №1357935, кл.G05F1/569, 1985р.] для захисту споживача від перенапруг та одночасного резервування живлення споживача застосований захисний елемент, що виконаний по схемі стабілізатора постійної напруги паралельного типу, який ввімкнений поміж вихідними виводами. Суттєвими недоліками даного стабілізатора постійної напруги є значна потужність втрат захисного стабілізатора в аварійних режимах та дещо підвищена вихідна напруга в режимі резервування живлення споживача. Другий відомий стабілізатор постійної напруги [див. В.М. Лейко и С.И. Мигас. Резервированный стабилизатор для защиты нагрузки от перенапряжения. - В сборн. Электронная техника в автоматике. Под ред. Ю.И. Конева. М."Сов. Радио", 1981, вып.12, с.135, рис.2] складається з двох послідовно ввімкнутих основного та захисного стабілізаторів, один з яких (захисний) виконує функцію захисту споживача від перенапруг та резервування його живлення у разі виходу з ладу основного стабілізатора. Недоліками другого відомого стабілізатора постійної напруги є складність схемного рішення, а також підвищений рівень вихідної напруги в режимі резервування живлення споживача. З відомих стабілізаторів постійної напруги більш близьким за технічною суттю [див. Патент Російської Федерації №2016415 кл. G05F1/569, 1994р.] є стабілізатор постійної напруги з резервуванням живлення споживача, що містить перший та другий регулюючі елементи, які ввімкнені в різнополярні силові шини, струмозадаючі двополюсники, елемент опорної напруги, вимірювальний подільник вихідної напруги, оптоелектронний елемент та підсилювач зворотнього зв'язку, база вхідного транзистора якого сполучена з елементом опорної напруги, його колектор з'єднаний з вихідною шиною відповідної полярності, а емітер через обмежуючий резистор сполучений з вихідною шиною протилежної полярності і безпосередньо з'єднаний з емітером вихідного транзистора, база якого сполучена з виходом вимірювального подільника вихідної напруги, а колектор через світлодіод оптоелектронного елементу з'єднаний з вихідною шиною відповідної полярності. Даний стабілізатор постійної напруги з резервуванням живлення споживача має просте технічне виконання, оскільки містить тільки один підсилювач зворотного зв'язку, та характеризується номінальним рівнем вихідної напруги в режимі резервування живлення споживача. Однак суттєвими недоліками даного стабілізатора постійної напруги, які обмежують його застосування, є низька надійність роботи з причин відсутності самозахисту від струмових перенавантажень, та невисокий ККД, що пояснюється великою величиною потужності втрат на регулюючих елементах, оскільки величина мінімального падіння напруги на них має порівняно значну величину. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого стабілізатора постійної напруги, в якому шляхом забезпечення самозахисту його елементів від струмових перенавантажень у випадку виникнення аварійної ситуації в ланцюгу споживача підвищена надійність роботи, а шляхом зниження мінімального падіння напруги на регулюючих елементах зменшена потужність втрат та суттєвого підвищений його ККД. Поставлена задача вирішується тим, що в стабілізаторі постійної напруги з резервуванням живлення споживача, що містить перший та другий регулюючі елементи, які ввімкнені в різнополярні силові шини, струмозадаючі двополюсники, елемент опорної напруги, вимірювальний подільник вихідної напруги, оптоелектронний елемент та підсилювач зворотного зв'язку, база вхідного транзистора якого сполучена з елементом опорної напруги, його колектор з'єднаний з вихідною шиною відповідної полярності, а емітер через обмежуючий резистор сполучений з вихідною шиною протилежної полярності і безпосередньо з'єднаний з емітером вихідного транзистора, база якого сполучена з виходом вимірювального подільника вихідної напруги, а колектор через світлодіод оптоелектронного елементу з'єднаний з вихідною шиною відповідної полярності , перший та другий регулюючі елементи виконані на силових, узгоджуючих та керуючих транзисторах різної провідності, причому колектори керуючих транзисторів кожного з регулюючих елементів через послідовно з'єднані переходи база - емітер узгоджуючих та силових транзисторів сполучені з відповідними його вхідними шинами, емітери безпосередньо з'єднані з колекторами узгоджуючих транзисторів, через напівпровідникові елементи сполучені з відповідними його вихідними шинами, а через загальний обмежувальний резистор з'єднані поміж собою, бази через фототранзистор оптоелектронного елементу сполучені поміж собою, а через струмозадаючі двополюсники з'єднані з відповідними вхідними шинами. Виконання регулюючого елементу на силовому, узгоджуючому та керуючому транзисторах з відповідним їх ввімкненням забезпечує одночасно і самозахист стабілізатора постійної напруги від струмових перенавантажень і підвищення його ККД. При цьому в нормальному режимі роботи один або два регулюючих елемента знаходяться в лінійному режимі роботи та в залежності від відповідного вихідного сигналу підсилювача зворотного зв'язку змінюють свою провідність таким чином, що при коливаннях вхідної напруги вихідна напруга залишається незмінною. У випадку пробою будь-якого з силових транзисторів регулюючих елементів функцію регулювання вихідної напруги стабілізатора постійної напруги виконує другий силовий транзистор другого регулюючого елементу під дією вихідного сигналу підсилювача зворотного зв'язку. На Фіг. показана електрична схема запропонованого стабілізатора постійної напруги з резервуванням живлення споживача. Запропонований стабілізатор постійної напруги з резервуванням живлення споживача містить в собі вхідні виводи 1, 2, вихідні виводи 3, 4, силові шини 5, 6, відповідно, однієї та другої полярності, перший регулюючий елемент 7, що виконаний на першому силовому транзисторі 8, першому узгоджуючому транзисторі 9 та першому керуючому транзисторі 10, другий регулюючий елемент 11, який виконаний на другому силовому транзисторі 12, другому узгоджуючому транзисторі 13 та другому керуючому транзисторі 14, а також перший 15 та другий 16 струмозадаючі двополюсники, елемент опорної напруги17, підсилювач зворотного зв'язку, що виконаний на вхідному транзисторі 18, вихідному транзисторі 19, обмежуючому резисторі 20 та вимірювальному подільнику вихідної напруги 21, а також оптоелектронний елемент 22, який виконаний на світлодіоді 23 та фототранзисторі 24, перший 25 та другий 26 напівпровідникові елементи і загальний обмежувальний резистор 27. Перший регулюючий елемент 7 ввімкнутий в силову шину 5 однієї полярності поміж вхідним виводом 1 та вихідним виводом 3, а другий регулюючий елемент 11 ввімкнутий в силову шину 6 другої полярності поміж вхідним виводом 2 та вихідним виводом 4. Колектор першого керуючого транзистора 10 першого регулюючого елементу 7 через переходи база - емітер першого узгоджуючого транзистора 9 та першого силового транзистора 8 сполучений з вхідним виводом 1, його емітер безпосередньо з'єднаний з колектором першого узгоджуючого транзистора 9, а через перший напівпровідниковий елемент 25 сполучений з вихідним виводом 3. База першого керуючого транзистора 10 через перший струмозадаючий двополюсник 15 з'єднана з вхідним виводом 1. Колектор другого керуючого транзистора 10 другого регулюючого елементу 7 через переходи база - емітер другого узгоджуючого транзистора 13 та другого силового транзистора 12 сполучений з вхідним виводом 2, його емітер безпосередньо з'єднаний з колектором другого узгоджуючого транзистора 13, а через другий напівпровідниковий елемент 26 сполучений з вихідним виводом 4. База другого керуючого транзистора 10 через другий струмозадаючий двополюсник 16 з'єднана з вхідним виводом 2, а через фототранзистор 24 оптоелектронного елементу 22 з'єднана з базою першого керуючого транзистора 10 першого регулюючого елементу 7. База вхідного транзистора 18 підсилювача зворотнього зв'язку сполучена з елементом опорної напруги 17, його колектор з'єднаний з вихідним виводом 3, а емітер через обмежуючий резистор 20 сполучений з вихідним виводом 4 та безпосередньо з'єднаний з емітером вихідного транзистора19 підсилювача зворотного зв'язку, база якого сполучена з виходом вимірювального подільника вихідної напруги 21, а колектор через світлодіод 23 оптоелектронного елементу 22 з'єднаний з вихідним виводом 3. Загальний обмежуючий резистор 27 ввімкнутий поміж колектором першого узгоджуючого транзистора 9 та колектором другого узгоджуючого транзистора 13. Запропонований стабілізатор постійної напруги з резервуванням живлення споживача працює наступним чином. В нормальному режимі роботи один з регулюючих елементів (наприклад, перший регулюючий елемент 7) або два регулюючих елемента (перший регулюючий елемент 7 та другий регулюючий елемент 11) знаходяться в лінійному режимі роботи завдяки живлення базових ланцюгів струмом струмозадаючий двополюсників 15, 16 та в залежності від відповідного вихідного сигналу підсилювача зворотного зв'язку змінюють свою провідність таким чином, що при коливаннях вхідної напруги вихідна напруга залишається незмінною. Наприклад, при підвищенні вхідної напруги незначне підвищення вихідної напруги стабілізатора викликає суттєве збільшення колекторного струму вихідного транзистора 19, що призводить до підвищення напруги на світлодіоді 23 оптоелектронного елементу 22. Це призводить до збільшення провідності фототранзистора 24 оптоелектронного елементу 22, збільшення струму, що протікає по його ланцюгу, та зменшення базових струмів першого та другого керуючих транзисторів 10, 14. В результаті зменшення базових струмів першого та другого керуючих транзисторів 10, 14 зменшується провідність, відповідно, першого та другого узгоджуючих транзисторів 9, 13, і, як наслідок, зменшується провідність першого та другого силових транзисторів 8, 12 першого та другого регулюючих елементів 7, 11. При цьому зменшується падіння напруги на першому 7 та другому 11 регулюючих елементах, а підвищення вихідної напруги стабілізатора обмежується з достатньо високою точністю. У разі пробою першого 8 або другого 12 силових транзисторів незначне підвищення вихідної напруги стабілізатора викликає суттєве збільшення колекторного струму вихідного транзистора 10, який протікає по ланцюгу світлодіода 23 оптоелектронного елементу 22. При цьому напруга на світлодіоді 23 оптоелектронного елементу 22 збільшується, що призводить до підвищення провідності фототранзистора 24 оптоелектронного елементу 22 та зменшення базового струму, відповідно, другого14 або першого 10 керуючих транзисторів регулюючих елементів. В результаті зменшується провідність, відповідно, другого 13 або першого 9 узгоджуючих транзисторів, а також другого 12 або першого 8 силових транзисторів регулюючих елементів 7, 11. Падіння напруги, відповідно, на другому 12 або першому 8 силових транзисторах, які переходять в лінійний режим роботи, підвищується, що забезпечує збереження вихідної напруги на заданому рівні та продовження режиму стабілізації вихідної напруги при коливаннях вхідної напруги та струму навантаження за рахунок відповідної зміни їх провідності в залежності від зміни вихідного сигналу підсилювача зворотного зв'язку. В нормальному режимі роботи через обмежувальний резистор 27 протікає струм (І 27), який складається з колекторних струмів узгоджуючих транзисторів 9, 13 (І 9, І 13) і струмів першого 25 та другого 26 напівпровідникових елементів (І 25, І 26) згідно з формулою: І 27=І 9+І 25=І 13+І 26 При цьому на першому 25 та другому 26 напівпровідникових елементах створюються падіння напруг (відповідно, U25 , U26), полярність яких протилежна полярностям напруг на переходах емітер - колектор першого 9 та другого 13 узгоджуючих транзисторів (відповідно, Ueк9, Ueк13). В результаті забезпечуються малі величини падіння напруг на переходах емітер - колектор першого 8 та другого 12 силових транзисторів (відповідно, Ueк8, Ueк12) першого7 та другого 11 регулюючих елементів: Ueк8 = Uеб8 + Uек9 - U25 ; Uек12 = Uеб12 + Uек13 - U26 . де – Uеб8 та Uеб12 величини напруг на переходах емітер - база, відповідно, першого 8 та другого 12 силових транзисторів. Тобто величини мінімального падіння напруг на першому 8 та другому 12 силових транзисторах зменшуються на величини напруг першого 25 та другого 26 напівпровідникових елементів. Практично при виконанні першого 7 та другого 11 регулюючих елементів на трьох транзисторах (на першому 8 та другому 12 силових транзисторах, першому 9 та другому 13 узгоджуючих транзисторах, а також першому 10 та другому 14 узгоджуючих транзисторах) для одержання надто малої величини мінімального падіння напруг на першому 8 та другому 12 силових транзисторах напруга першого 25 та другого 26 напівпровідникових елементів повинна мати величину (1,6-2,0) В. При цьому повинна виконуватись умова : Uеб8 + Uек 9 < U25; Uеб12 + Uек13 < U26. Виконання першого 7 та другого 11 регулюючих елементів, відповідно, на першому 8 та другому 12 силових транзисторах, першому 9 та другому 13 узгоджуючих транзисторах, а також на першому 10 та другому 14 узгоджуючих транзисторах з одночасним введенням першого 25 та другого 26 напівпровідникових елементів і обмежувального резистора 27 та відповідним їх ввімкненням дозволяє суттєво зменшити струм перенавантаження при закороченні вихідних виводів 3, 4. У разі закорочення вихідних виводів 3, 4, (наприклад, при виникненні аварійної ситуації в ланцюгу споживача), максимальна величина струму перенавантаження Imax обмежується за допомогою обмежувального резистора 27. Величина струму перенавантаження характеризується виразом: Imax = (Uвих - U25 - U26 ) / R 27 ´ b 8(12 )min , де Uвих - вихідна напруга стабілізатора постійної напруги з резервуванням живлення споживача, U25 , U26 - напруга першого 25 та другого 26 напівпровідникових елементів, R 27 - величина опору обмежувального резистора 27, b8 / 12 min - мінімальне значення коефіцієнту підсилення першого 8 або другого 12 силових транзисторів. В режимі резервування живлення споживача режим самозахисту від струмів перенавантаження стабілізатора постійної напруги зберігається. Величина струму перенавантаження визначається за формулою : Imax = (Uвих - U25 - U26 ) / R 27 ´ b 8(12) , b8 (12 ) де: - величина коефіцієнту підсилення одного з силових транзисторів (першого 8 або другого12 силового транзистора), який переходить в лінійний режим роботи після пробою або переходу в режим насичення другого з силових транзисторів (відповідно, другого 12 або першого 8 силового транзистора). Таким чином одержаний стабілізатор постійної напруги з резервуванням живлення споживача, який одночасно володіє резервуванням живлення споживача після пробою або переходу в режим насичення одного з силових транзисторів, самозахистом від струмових перенавантажень як в нормальному режимі роботи, так і в режимі резервування живлення споживача, малою величиною мінімального падіння напруги в нормальному режимі роботи і в режимі резервування живлення споживача, (відноситься до серії LDO стабілізаторів постійної напруги) та високим ККД. Експериментальні дослідження показали роботоздатність та позитивні якості запропонованого стабілізатора постійної напруги з резервуванням живлення споживача. В стабілізаторі постійної напруги з вихідною напругою 9В та струмом навантаження 1А струм перенавантаження в аварійних режимах зменшений в 5 разів та має величину